Введение 1. ВВЕДЕНИЕ Белок Hsp70 является индуцибельным представителем семейства белков теплового шока
реклама
Введение 1. ВВЕДЕНИЕ Белок Hsp70 является индуцибельным представителем семейства белков теплового шока БТШ70 или Hsp70. HSP необходимы клетке во всех процессах ее жизнедеятельности, включая адаптацию к огромному числу цитотоксических факторов, как ксенобиотических, так и естественного происхождения. Структура Hsp70, как и других HSP, очень консервативна; достаточно отметить, что бактериальный аналог Hsp70, DnaK, по своим свойствам очень напоминает соответствующий белок млекопитающих, а их гены содержат более 50% гомологичных последовательностей. Hsp70 - первый белок, названный шапероном. Функция шаперонов в клетке заключается в том, что они связываются с поврежденными или вновь синтезированными полипептидами и помогают им принять нативную конформацию; шапероны также участвуют в доставке белков в определенные органеллы. Шапероны способны находить в полипептидахмишенях гидрофобные участки, которые открыты у поврежденных белков или могут открываться у нормальных, зрелых клеточных белков в момент изменения их конформации. Подобные конформационные изменения происходят, например, вследствие каскадных модификаций белков в процессе передачи клеточного сигнала. Белки семейства Hsp70 являются одними из основных элементов систем контроля за качеством белков, и участвуют в работе всех систем жизнеобеспечения клетки. Шаперонную активность обычно связывают с защитной функцией Hsp70. To, что шаперон спасает клетки от огромного числа факторов, в том числе, вызывающих апоптоз, было подтверждено в многочисленных опытах in vitro и in vivo с использованием широкого спектра модельных организмов, находящихся на разных ступенях эволюции. Несмотря на огромное число исследований, посвященных различным аспектам функционирования Hsp70, нерешенным остается множество вопросов, имеющих принципиальное значение. Хотя Hsp70 и считается индуцибельным, что означает, что его экспрессия резко возрастает в ответ на стресс, в клетках человека его синтез, хотя и на невысоком уровне, происходит и в нормальных условиях. Надо отметить, что в разных тканях и клетках организма степень экспрессии Hsp70 различается. Например, она очень высока в тканях сердца, и крайне низка (и не запускается в ответ на стресс) в некоторых типах нейронов головного мозга. Уровень экспрессии Hsp70 высок в опухолях, особенно злокачественных. В связи с этим возникает ряд вопросов. Каковы последствия высокого уровня экспрессии Hsp70 в опухолевых клетках? Не ясно, каким образом нервные клетки защищаются от неблагоприятных факторов, к примеру, от формирования нерастворимых белковых агрегатов в нервных клетках головного мозга при некоторых наследственных нейродегенеративных заболеваниях, а также в клетках мозга пожилых людей. Несколько лет тому назад появились данные о том, что Hsp70, ранее считавшийся исключительно цитоплазматическим белком, может находиться во внеклеточном пространстве, в биологических жидкостях человека. В этой связи имеет существенное значение ответ на следующие вопросы: каким образом белок может покидать клетку, какое действие он может оказать на другие клетки, находящиеся вблизи или в отдалении от клетки-донора, может ли он интернализоваться клетками-акцепторами? Цель настоящей работы была ответить на эти вопросы. 2. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 2.1. Белки теплового шока, их индукторы и классификация. Термин белки теплового шока или белки стресса, или HSP (heat shock protein), появился в конце 70-ых годов для обозначения новой группы белков, синтез которых начинается в клетках под действием различных стрессовых факторов, например, нагрева; отсюда и происходит название этой группы белков. То, что эти белки имеют огромное значение для жизнедеятельности организма в нормальных условиях, стало ясно несколько позже, когда были исследованы молекулярные свойства HSP и особенности их поведения в живой клетке. Организмы, живущие на суше, в морях и реках, неизбежно подвергаются значительному числу стрессовых воздействий, характер которых иногда может значительно разниться. Однако и в сухопутных и в водных организмах различные по характеру экстремальные факторы вызывают сходную реакцию - экспрессию и накопление HSP. Наиболее существенным фактом, полученным на начальном этапе исследования HSP, было то, что эти белки были обнаружены во всех исследованных организмах и клетках. Материалы первого симпозиума, посвященного HSP (Колд СпрингХарбор, США, 1982), вышли под названием "Heat Shock Proteins: From Bacteria to Man". Так было определено одно из приоритетных направлений биологии - белки теплового шока, как наиболее консервативная и универсальная система клеточного ответа на неблагоприятные условия внешней среды. Одним из ярких примеров консерватизма клеточного ответа на критические изменения внешних условий являются археабактерии, в которых экспрессия HSP происходит при температуре, превышающей 8 100 ° С, как это показано для гипертермофильного вида ES4, л обнаруженного в глубоководных гидротермических источниках (Holdenand, Barros, 1993). С другой стороны в Антарктике обнаружены виды водорослей и дрожжей, у представителей которых повышение температуры только до 10 °С способно индуцировать HSP (Berg et al., 1987; Vayda, Yuan, 1994). Все HSP можно условно разделить на несколько семейств, объединяющих сходные по молекулярным свойствам белки: HsplOO, Hsp90, Hsp70, Hsp47, Hsp40 и Hsp27. В каждом семействе насчитывается несколько членов, для первичной структуры которых характерна высокая степень межвидового консервативизма. Н S Р 2 7. В это семейство входит сам Hsp27, а также альфа-¦«I кристаллин, белок линзы глаза. Помимо факторов, упоминавшихся ранее, экспрессию Hsp27 могут вызывать агенты, которые снижают уровень глутатиона в клетке, диэтилмалеат и бутионинсульфоксимин (Ito et al., 1998). В обычных условиях Hsp27 представляет собой крупные олигомеры с массой до 700 кДа. На молекуле Hsp27 имеется три остатка серина в положениях 15, 78 и 82, и их фосфорилирование необходимо для активной работы белка (Mehlen et al., 1997). Анализ состояния Hsp27 показал, что уменьшение размера олигомеров происходит при действии на клетки таких агентов, как фактор некроза опухолей, окадаиковая кислота, форболовый эфир и интерлейкин-1-альфа (Kato et al., 1994). Все эти факторы, прямо или косвенно стимулирующие фосфорилирование Hsp27, вызывают деление крупных агрегатов с мол. массой 300-400 кДа на малые изомеры с массой около 70 кДа. Добавим к этому, что фосфорилирование Hsp27 оказывает значительное влияние на динамику цитоскелета. Как известно, одним из важных и начальных последствий окислительного стресса является фрагментация актиновых микрофиламентов, причем те же факторы индуцируют модификацию упомянутых выше сериновых остатков на молекуле Hsp27. Н S Р 7 0. Это семейство белков, объединенных сходной структурой и функцией. Геном млекопитающих включает 12-14 генов HSP, три из которых, Hsp70-1, Hsp70-2 и Hsp70Hom, картированы на 6-ой хромосоме человека в участке генов главного комплекса гистосовместимости. Все три гена не содержат интронов и кодируют белки, включающие 641 аминокислоту (Gunther and Walter, 1994). Последовательности генов hsp70-1 и hsp70-2 идентичны в кодирующей части, а разница обнаружена только в небольшом фрагменте 3нетранскрибируемой области. Экспрессия обоих генов индуцируется тепловым шоком и огромным числом других факторов по механизму, описанному ранее. В бактериях имеется всего один ген семейства Hsp70, кодирующий белок DnaK, в дрожжах это семейство представлено несколькими группами белков SSA, SSB и SSC (табл. 1). В одной клетке млекопитающих можно обнаружить одновременно несколько членов семейства HSP70; основными компонентами являются индуцибельный Hsp70, конститутивно синтезирующийся Hsc70, белок, регулируемый глюкозой GRP78 и белок, локализованный в митохондриях. GRP78 встречается под другим названием - BiP, то есть белок, связывающий тяжелые цепи иммуноглобулинов; экспрессия соответствующего гена происходит в условиях сывороточного голодания или при воздействии некоторых агентов, влияющих на функцию мембран, например кальциевого ионофора А23187 (Haas, 1994). Тотальная гомология последовательности между членами семейства HSP70 составляет 50%, а для отдельных участков, включая центр свяывания АТФ, она достигает 80%. Особую роль в функции HSP70 играет домен связывания АТФ: он имеется у всех членов семейства, и его структура сходна с 10 соответствующими доменами актина и гексокиназы. Благодаря этому свойству белки семейства HSP70 можно очищать практически в один этап, используя хроматографию на специальной матрице, геле АТФ-агарозы (Schlossman et al., 1984). В целом по своему строению молекулы Hsp70 напоминают белки, относящиеся к главным комплексам гистосовместимости класса I и II (Flajnik et al., 1991). Авторы цитируемой работы допускают, что Hsp70 могли быть эволюционным предшественником белков обоих классов, причем, исходя из способности связывать крупные полипептиды, наиболее близкими Hsp70 являются белки класса II. У некоторых членов семейства в начале N-концевого участка имеется сигнальная последовательность для проникновения в митохондрии или в эндоплазматический ретикулум, а у GRB78 такая последовательность расположена в С-концевой части молекулы. Hsp70 и Hsc70 содержат также NLS-последовательность (nuclear leader sequence), позволяющая этим белкам в одиночку или с другими молекулами мигрировать в ядро (Feige et al., 1996). По-видимому, важным свойством Hsp70 и Hsc70 является их способность образовывать смешанные олигомеры, причем в подобные структуры вовлекаются другие клеточные белки (Brown et al., 1993). Анализ клеточных экстрактов показал, что добавление АТФ и/или денатурированного белка, (люциферазы) вызывает диссоциацию агрегатов, а последняя соединяется только с мономерным Hsc70. Стабильность этому временному комплексу придает по мнению авторов ко-шаперон Hsp40 (Hdj1) (Angelidis et al., 1999), речь о котором пойдет ниже. Как видно из табл. 1, белки семейства HSP70 распространены по всей клетке, причем некоторые из них, GRB78 и р75 (mtp70) находятся 11 Таблица 1. Внутриклеточное распределение и функции основных HSP у разных организмов Семейство Организм Hsp Локализация Функция белков семейства Низкомолекулярные Hsp E.coli S.cerevisiae Млекопитающие IbpA.B Hsp27 Hsp27 Цитоплазма Цитоплазма цитоплазма *Подавляет агрегацию и термическую инактивацию белков. *Придает клеткам устойчивость через стабилизацию филаментов Hsp60 E.coli S.cerevisiae Растения Млекопитающие GroEL Hsp60 СпрбО Hsp60 Цитоплазма Митохондрии Хлоропласты Митохондрии *Сборка бактериофага и Рубиско Предотвращает агрегацию дннатурированных белков in vitro "Кофактор протеаз *Участие в шаперонном механизме Hsp70 E.coli S.cerevisiae Млекопитающие DnaK Ssa1-4 Ssb1,2 Kar2 Hsp70 Hsc70 GRP78 Mtp70 Цитоплазма ЭПР » Цитоплазма Цитоплазма » ЭПР Митохондрии Участие в репликации фага-L *Автореруляция ответа на стресс *Участие в протеолизе белков "Транспорт полипептидов внутри клетки Hsp90 E.coli S.cerevisiae Млекопитающие Htp90 Hsp83 Hsp90 Цитоплазма » » "Восстанавливает исходную структуру денатурированных белков in vitro "Участвует в сборке стероидного рецептора HsplOO E.coli S.cerevisiae ClpA,B, С Hsp104 Цитоплазма » "Восстанавливает растворимость денатурированной протеазы in vitro 12 только в определенных органеллах, соответственно в эндоплазматическом ретикулуме и митохондриях (Feige, Polla, 1994). В цитоплазме располагаются Hsp70, индуцибельный, и Hsc70 конститутивный члены семейства; тепловой шок и некоторые иные стрессорные факторы вызывают массовый переход этих белков в ядро, точнее ядрышки. Как полагает большинство авторов, HSP70 призваны защищать от повреждения чувствительную структуру прерибосом (Pelham, 1986); кроме того, возможно, эти белки взаимодействуют со специфическими транскрипционными факторами для гена hsp70, HSF, и участвуют в регуляции активности собственных генов. Многочисленные функции белков, относящихся к семейству HSP70, в клетке являются по-видимому производными их шаперонной активности; об этом речь пойдет в следующих главах. Н S Р 9 0. Белки, относящиеся к этому семейству, в клетках позвоночных присутствуют обычно в форме димеров, состоящих из двух изоформ с очень близкой структурой, Hsp90a и Hsp90p. В эндоплазматическом ретикулуме был обнаружен аналог Hsp90, GRB94, экспрессия которого регулируется глюкозой; роль этого белка в шаперонном механизме, связанном с другим GRB, GRB78, сейчас устанавливается. Модель молекулы Hsp90 по данным электронной микроскопии, иммунохимических тестов, проведенных на пептидах после ограниченного протеолиза, а также малоуглового рентгеновского рассеяния, состоит из двух спаренных глобул (Nemoto et al., 1997; Машуа et al., 1999). На обоих концах молекулы Hsp90 находятся участки, определяющие шаперонную активность белка, причем N-концевая часть Hsp90 включает значительное число заряженных аминокислот, N272 (Scheibel et al., 1999) и содержит участок связывания гелданамицина (Grenert et al., 1997). Гелданамицин, как недавно было установлено, 13 способен подавлять шаперонную активность Hsp90, связываясь с белком и, возможно, изменяя локально конформацию последнего (Grenert et al., •' 1997). Большое значение для функционирования БТШ90 имеет его связь с АТФ (Obermann et al., 1998); сразу нескольким группам удалось показать, что эта связь имеет непосредственное отношение к шаперонной активности. Кристаллическая структура N-концевого АТФазного домена Hsp90 с присоединенными молекулами АТФ и Мд практически идентична таковой у ДНК-гиразы из Е. Coli (Prodromou et al., 1997; Obermann et al., 1998). Из данных, полученных в экспериментах по связыванию Hsp9O денатурированных полипептидов, следует, что на молекуле белка присутствуют два независимых домена связывания таких полипептидов (Young et al., 1997), которые функционируют в зависимости от наличия АТФ в инкубационной среде. Гелданамицин предотвращает связывание денатурированного белка и ингибирует АТФазную активность Hsp90. Таким образом, шаперонная активность определяется балансом АТФ и АДФ (Prodromou et al., 1997) и наличием белков-помощников. Выше уже указывалось, что Hsp90 способен инактивировать HSF1. И в этом случае Hsp90 также использует шаперонный механизм, в который включается помимо его самого белок Сур-40 (Duina et al., 1998). Н S P 1 1 0. Большинство авторов относят эти белки к семейству полипептидов, сильно отошедших в эволюции от Hsp70; гомология их составляет всего 30-33%, причем большая часть гомологичных последовательностей приходится на домен связывания АТФ (LeeYoon et al., 1995). К этому же семейству относится и полипептид с мол. массой 170 «Да (GRP170), экспрессия которого регулируется глюкозой (Chen et al, 1996). Так же как и многие другие белки теплового шока, Hsp110 14 обладает шаперонной активностью. По данным Оу с соавторами (Oh et al., 1997) Hsp110 способен защищать клетки от теплового повреждения: 1 эти данные были получены на клетках Rat-1 и HeLa. Протектирующий эффект по мнению авторов связан со способностью БТШ110 избирательно связывать и восстанавливать структуру денатурированных белков. Семейства HSP играют различную роль в физиологии клетки; это же относится к разным членам отдельного семейства HSP. Многие из HSP синтезируются в нормальных условиях, то есть конститутивно, а в ходе реакции организма на стрессовое или иное воздействие их количество в клетках резко возрастает. Кроме того, хотя экспрессия некоторых членов указанных семейств не может быть обусловлена стрессом, эти белки все равно причисляются к белкам теплового шока на основе сходства их молекулярной структуры с индуцибельными представителями семейства. Несмотря на значительный консерватизм многих генов HSP, их спектр сильно варьирует от вида животного и от фактора, вызывающего их экспрессию. Например, в ответ на обработку тяжелыми металлами в клетках происходит индукция металлотиенинов, Hsp3032, и, в отдельных случаях, Hsp70, а тепловой шок вызывает экспрессиию генов того же Hsp70, а также Hsp110, Hsp90 и Hsp27. Такая мозаичность ответной реакции клетки связана, по-видимому, со значительной разницей в функции отдельных HSP и их изоформ. К HSP относят также белки, синтезирубщиеся постоянно, обнаруживающие при этом высокую степень гомологии с индуцибельным белком. Так, только два белка из 12-14 относящихся к семейству Hsp70 накапливаются под действием теплового шока или других факторов; остальные синтезируются постоянно. Часть генов семейства Hsp70 являются, псевдогенами, то есть не работают на производство белка вообще, другие напротив 15 функционируют постоянно. Экспрессия генов Hsp90 происходит в клетках, не испытывающих стресс, который способен повысить темпы у синтеза этого белка в десятки раз. Хотя понятия «белки теплового шока», и «белки стресса» не всегда оправдывают свое название, они прижились в научном мире и ими пользуются для обозначения широкого круга клеточных белков и их гомологов, индуцируемых стрессом и синтезирующихся в нормальных условиях. Выяснению роли HSP исторически предшествовал анализ закономерностей в изменении спектра этих белков в зависимости от характера воздействия или вида организма, подвергающегося этому воздействию. Как уже упоминалось, для членов семейств HSP характерна высокая степень гомологии. Как правило, гомологичные участки включают домены, крайне важные для функционирования белка: их делеция летальна для бактерий и дрожжей (Morimoto et al., 1994). По мнению большинства авторов, такой консерватизм в структуре HSP отражает их огромное значение для механизмов адаптации и ответа клеток и организмов на экстремальные внешние воздействия. ¦ В настоящее время известно около сотни агентов, способных стимулировать экспрессию HSP, причем их число постоянно растет с появлением все новых техногенных загрязняющих факторов. К числу наиболее известных индукторов экспрессии HSP относятся гипертермия (нагрев клеток или организма до сублетальной температуры), тяжелые металлы (Efremova et al., 2002), окислительный стресс (Рарр et al., 2003), органические растворители (Mizushima et al.,1993), магнитное поле (Goodman, Blanck, 2002), радиация (Ibuki et al., 1998), некоторые вирусы и яды (Sedger, Rudy, 1994; Barque et al., 1996 ). Следует отметить, что любой из этих факторов действует, как правило, в определенном интервале амплитуд или длительности, а клетки какого-либо типа 16 отвечают на это воздействие экспрессией также строго определенного набора HSP. Кроме того, некоторые из перечисленных агентов вызывают экспрессию белков, не причисляемых к HSP. Например, тяжелые металлы способны индуцировать повышение синтеза как особых белков, металлотионеинов, так и HSP. С другой стороны, некоторые индукторы экспрессии HSP трудно назвать стрессовыми; таковыми, например, являются факторы, запускающие гематопоэтическую дифференцировку или пролиферацию клеток человека (Ferris et al., 1988), а также активаторы процесса апоптоза (Jaattela, 1999). Таким образом, в ответ на воздействие определенной силы и характера клетка запускает синтез совершенно конкретного набора HSP, причем такой ответ чаще всего бывает адекватным воздействию. Поэтому HSP входят в число , природных биомаркеров, и определение их количества в тканях или клетках становится одной из целей диагностики распространенных заболеваний человека и животных и/или анализа влияния факторов, нарушающих природную среду обитания. 2.2. Структура и свойства Hsp70 Один из наиболее хорошо изученных белков теплового шока -белок Hsp70, главный представитель одноименного семейства. Индукция Hsp70 происходит в ответ на действие многих стрессовых факторов. Молекула Hsp70 содержит 641 аминокислотный остаток и состоит из двух функционально различных доменов (рис. 1). В N-концевой части молекулы находится АТФ-связывающий сайт, располагающийся в глубине кармана, сформированной сс-спиралями, а С-концевой домен обладает пептид-связывающей активностью. Он образует петлю, которая с одной стороны сформирована а-спиралью, а с другой - р-слоями (рис.1). Конформационные изменения N-концевого 17 домена, происходящие при связывании АТФ, приводят к изменению конформации Сконцевого участка, в результате чего происходит захватывание или высвобождение пептида-мишени. С С-концевым участком молекулы Hsp70, видимо связываются полипептидные цепи с открытыми гидрофобными группами, что характерно для только что синтезированных полипептидов с еще не сформированной вторичной структурой или для белков, конформация которых сильно повреждена воздействием какого-либо «протеотоксического» фактора. Конечная структура многих белков представляет собой настолько крупное образование, что трудно представить, как эти белки доберутся до нужной клеточной органеллы через сеть внутриклеточных мембран. Эксперименты по сворачиванию полипептидных цепей in vitro 381 386 637 H2NАТФ-связэгвающий домен Bag-1 Hdj-1 -EEVD-COOH HIP HOP CHIP Рис. 1. Структура молекулы шаперона Hsp70. Черным обозначен захваченный шапероном пептид, темно-красным - молекула АТФ. Остальные поянения см. в тексте. Список литературы
